杜 立

（總參第六十研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

一、引 言

我國(guó)在不同時(shí)期，針對(duì)軍事訓(xùn)練要求，研制并配發(fā)過多種模擬訓(xùn)練器材，部分器材已配發(fā)部隊(duì)并使用多年，為基層部隊(duì)的日常軍事訓(xùn)練提供了良好的保障。但隨著全軍軍事訓(xùn)練信息化要求的不斷提升，新型武器不斷裝備部隊(duì)，新一代軍事訓(xùn)練與考核大綱要求我軍必須著眼于戰(zhàn)爭(zhēng)的演變拓展使命任務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)信息化條件下各軍兵種對(duì)各型武器裝備的使用操作能力。

目前使用的模擬訓(xùn)練器材，是主要以傳統(tǒng)技術(shù)為主導(dǎo)的機(jī)械化訓(xùn)練器材，存在訓(xùn)練功能單一、信息技術(shù)含量低、信息數(shù)據(jù)采集不足、訓(xùn)練信息反饋不及時(shí)和自動(dòng)化程度不高等情況。尤其在防空武器裝備，如各型高炮等信息化集成度較高的武器裝備訓(xùn)練中，受到訓(xùn)練目標(biāo)保障難、裝備損耗彈藥供應(yīng)少、訓(xùn)練場(chǎng)地不足等不同方面的制約，部隊(duì)無法在基層營(yíng)區(qū)開展操作訓(xùn)練，訓(xùn)練效果和戰(zhàn)斗力都受到了影響。

隨著高科技的不斷發(fā)展，模擬訓(xùn)練器廣泛適用于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、三維圖顯實(shí)時(shí)生成等仿真技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的模擬實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境。解決訓(xùn)練不了、訓(xùn)練不起的問題，逼真的訓(xùn)練環(huán)境大大縮短了訓(xùn)練周期。要提供與武器系統(tǒng)相仿的實(shí)物操作環(huán)境，呈現(xiàn)與實(shí)裝一致的逼真效果，必須對(duì)火控系統(tǒng)的建模和仿真進(jìn)行深入研究，使受訓(xùn)人員在訓(xùn)練中仿佛身臨其境。

二、火控系統(tǒng)原理

（一）對(duì)空攻擊火控原理

防空高炮攻擊目標(biāo)時(shí)，分為全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)這3種控制模式。

圖1　火控系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，全自動(dòng)控制模式下，模擬雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)開啟，測(cè)量值代入全自動(dòng)解算模型中直接獲得射擊需要的提前角和高角；半自動(dòng)和手動(dòng)模式下，雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)關(guān)閉，瞄準(zhǔn)具為隨動(dòng)系統(tǒng)提供提前角和高角。

（二）射擊數(shù)學(xué)模型

高炮對(duì)空中處于M點(diǎn)位置的飛機(jī)進(jìn)行攻擊，由于目標(biāo)飛行速度較快，火炮不能指向現(xiàn)在位置M點(diǎn)，而必須指向提前位置點(diǎn)射擊。假設(shè)目標(biāo)在任意平面內(nèi)做等速直線飛行，則提前位置一定處于現(xiàn)在航路的延長(zhǎng)線上，且提前位置與現(xiàn)在位置的距離等于目標(biāo)飛行速度與射彈飛行時(shí)間的乘積。稱為提前三角形，為提前角

考慮到射彈在飛行過程中受重力和空氣阻力作用，形成彎曲的彈道，若火炮直接向點(diǎn)射擊，則射彈從點(diǎn)下方通過，無法擊中目標(biāo)。因此，發(fā)射時(shí)炮管必須抬高一個(gè)角度使炮身抬高到上方點(diǎn)位置。則角稱為高角，三角形成為彈道三角形，如圖2所示。

圖2　提前三角形和彈道三角形

三、火控系統(tǒng)對(duì)空射擊建模

（一）全自動(dòng)模式計(jì)算模型——雷達(dá)系統(tǒng)仿真

全自動(dòng)模式下，模擬雷達(dá)系統(tǒng)正常運(yùn)作，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已知量為：高炮本體位置，目標(biāo)位置，目標(biāo)速度矢量，目標(biāo)加速度。

解分段方程（6）得到 ，即可得到。

圖3　全自動(dòng)計(jì)算模型流程圖

（二）半自動(dòng)/手動(dòng)計(jì)算模型——陀螺瞄準(zhǔn)具仿真

半自動(dòng)和手動(dòng)模式下，雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)關(guān)閉，目標(biāo)的飛行速度，坐標(biāo)位置都無法進(jìn)行測(cè)量，射手需借助瞄準(zhǔn)具進(jìn)行瞄準(zhǔn)。實(shí)裝中瞄準(zhǔn)具利用陀螺組件測(cè)得目標(biāo)運(yùn)行角速度，因此分析式（1），當(dāng) ＜13°時(shí)，

（例 sin13°= 0.22495，13°= 0.22689 rad，相差 0.00194，sin10°= 0.17364，10°= 0.17453 rad，相差 0.00089）。則：

目標(biāo)相對(duì)火炮運(yùn)動(dòng)角速度等于目標(biāo)切向速度與現(xiàn)在斜距之比，即：

將式（8）代入式（7）得：

圖4中，1為0.5°視角小環(huán)（直徑），2為2°視角大環(huán)（直徑），射手通過對(duì)空光環(huán)鎖定目標(biāo)，對(duì)空光環(huán)圖中心光點(diǎn)為3.6′視角（1密位），小圓直徑相當(dāng)于0.5°視角，大圓直徑相當(dāng)于2°視角。手動(dòng)/半自動(dòng)解算流程如圖5所示。

圖4　對(duì)空光環(huán)圖

圖5　手動(dòng)/半自動(dòng)解算流程

由于在1000 m遠(yuǎn)處長(zhǎng)度為1 m的物體，約為1密位視角，即：落在中心光點(diǎn)上；若目標(biāo)卡在0.5°視角內(nèi)，則約為1000 m外8.5 m長(zhǎng)的物體，或500 m外4.3 m長(zhǎng)的物體。以此類推，在訓(xùn)練中受訓(xùn)人員已知目標(biāo)長(zhǎng)度，根據(jù)目標(biāo)在光環(huán)圖中的視角，目測(cè)確定目標(biāo)現(xiàn)在距離 ，而當(dāng)光環(huán)穩(wěn)定鎖定目標(biāo)時(shí)，炮管角速度即等于飛行目標(biāo)角速度，而彈丸的平均速度由武器射進(jìn)行插值計(jì)算可得，根據(jù)式（8）計(jì)算得出提前角 ，繼而得出高角 。

四、火炮命中計(jì)算模型

高炮執(zhí)行模擬射擊后,需要進(jìn)行射擊命中解算。受訓(xùn)人員踩下激發(fā)踏板發(fā)射多發(fā)彈丸，在空中形成火力球面。模擬場(chǎng)景中飛行目標(biāo)的速度矢量、目標(biāo)現(xiàn)在位置已知；同時(shí),火炮模擬發(fā)射的提前角、高角、射彈平均速度等射擊諸元均已知，方程聯(lián)立計(jì)算出飛行目標(biāo)和射彈軌跡能否交會(huì)于一點(diǎn)，即完成命中解算。軟件實(shí)現(xiàn)中，解算流程如圖6所示。

圖6　命中解算流程圖

五、風(fēng)速修正

實(shí)際射擊中，風(fēng)速影響射擊精度。因此，在模擬器設(shè)計(jì)中需要考慮風(fēng)速影響，對(duì)射擊數(shù)學(xué)模型進(jìn)行風(fēng)速修正。

在全自動(dòng)模式下，模擬風(fēng)速儀輸出風(fēng)速矢量，直接將風(fēng)速的影響分解到目標(biāo)速度和炮彈速度，修正式（1）最終求解出提前角和高角。

在手動(dòng)/半自動(dòng)模式下，實(shí)裝中沒有風(fēng)速儀，瞄準(zhǔn)模型不需要進(jìn)行風(fēng)速修正；在命中解算中，根據(jù)軟件設(shè)定的風(fēng)速對(duì)目標(biāo)速度和炮彈速度進(jìn)行修正，從而計(jì)算命中信息。

六、結(jié)束語

本文分析了某型高炮火控原理，分別建立了全自動(dòng)雷達(dá)跟蹤模式、半自動(dòng)陀螺瞄準(zhǔn)具模式、手動(dòng)模式這3種攻擊模式下的火控模型。在模擬訓(xùn)練軟件算法中，充分考慮到重力場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)在命中計(jì)算模型中的影響，實(shí)際運(yùn)用于某型高炮模擬器設(shè)計(jì)中，取得了較好的仿真效果。